导读由上海析易船舶技术有限公司创始人侯亮先生发明的无波艇已经商用化，并在国际船舶业界引发越来越强烈的震撼。传统的船舶都是速度越高，兴波越大，这不仅是船舶速度难以提升的关键（兴波当然会浪费能量），而且也是在内河无法实现高速运营的原因（浪大了会影响邻船和堤岸的安全）。而析易船舶的无波艇却能实现速度越高兴波越小，并在实用的80-90公里/小时的高速下近乎于无波，这就从根本上解决了船舶高速化的世界性难题。注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~【作者按：千里马常有而伯乐不常有。中国并不缺原创性的科技，缺的是支持原创的环境，尤其是从支持原创科技中获得最高利益的市场环境。美国硅谷之所以成为世界科技创新之都，不是他们天然地更热爱科技创新，也不是他们理想更崇高，而是他们深知只有从原创科技中才能获得最大的商业价值，并形成了完备的将原创科技商业化的整套体系。析易船舶是我在2015年种子轮领投的项目，这是一个在中国难得的原创性技术。最初的创新亮点是飞轮艇，而我在投资后确定商业化路径时，经过与发明人侯亮半年多时间的深入讨论和市场分析，最终确定了初期商业化的产品是选择他在发明过程中曾放弃了的“气滑船”（当时的叫法），这是将飞轮艇高度简化，可能更让人诧异的是去掉了最大创新点的飞轮推动技术，而只将船型进行优化的方案。当时在做这个选择时，几乎所有支持我们的船舶权威和专家们都强烈反对，认为这个技术创新点不突出，但后来的事实证明这个选择在商业上是非常正确的。因为飞轮艇明摆着根本不可能通过现在的船级社审图标准，必须首先要由我们牵头制定标准才有可能。而“气滑船”，后来改为“消波艇”，最后确定名字是“无波艇”与传统船舶技术上最为接近，可以根据现有船舶标准通过船级社审图。事实证明，即使是这样，依然比正常流程多花了十倍都不止的时间才完成了审图的过程。创新过程的艰难之处就在这里。真正原创了，就意味着它突破了现有科技的评价体系，无法得到现有评价体系的及时认可。因此，要将创新真正落地，只有将其分阶段完成，实现尽可能小的一步进展，而后成功了，站在这个台阶上就可以迈向更高的台阶。即使是将析易船舶的大量原创科技尽可能简化到最简程度，也已经惊天动地了。只要将第一个产品成功推向市场，后面越来强大的震撼就会接踵而至。】由上海析易船舶技术有限公司创始人侯亮先生发明的无波艇已经商用化，并在国际船舶业界引发越来越强烈的震撼。传统的船舶都是速度越高，兴波越大，这不仅是船舶速度难以提升的关键（兴波当然会浪费能量），而且也是在内河无法实现高速运营的原因（浪大了会影响邻船和堤岸的安全）。而析易船舶的无波艇却能实现速度越高兴波越小，并在实用的80-90公里/小时的高速下近乎于无波，这就从根本上解决了船舶高速化的世界性难题。
2019年11月14日，我在“苏浙闽粤桂沪”五省一市航海学会学术研讨会上介绍无波艇相关论文。引起与会专家权威们的高度兴趣。相关论文发表在《航海》（2019年11月增刊）上，参见本文后面的附件。
2018年12月7日，由上海市科委相关机构组织的专家评审会上，国内权威的高性能专家对析易船舶的原创发明作出“使内河船舶的高速化应用成为可能”的极高评价。
“消波艇”概念最早出现于意大利，国内外都有各类相关研究。析易船舶采用了完全不同的原创技术路线，将消波技术革命性地推向了“无波”的理想境界。在船舶这个相对发展成熟的领域，1%效率的提升就足以写博士论文，5%的改变就可算重大突破。而析易船舶无波艇能量效率比美国双M艇提升了50%，这样的改变无疑是划时代和颠覆性的。
2019年，发明人侯亮在具有亚洲最高速水池的中航605所对无波艇技术进行了大量的反复测试，结合一年的实船实际运行测试，基本摸清了无波艇的最佳技术方案。
要想知道如何实现无波的技术原理和理论分析，请参见以下附录的论文，本论文引入了全新的“垂直震动点兴波”理论，以区别于传统的“凯尔文压力点兴波理论”，由此从理论上解释了为什么可以实现船舶的高速无波。汪涛 侯亮
论文摘要：以提高快速性和降低兴波为设计目标，析易船舶研制开发的具有完全自主知识产权的高速无波艇，采用了全新的水动力布局和线型设计，通过在中航605所拖曳水池进行的大量模型测试，以及在绍兴曹娥江进行的大量实船测试，验证了该艇型的快速性指标十分优异，并且兴波极小，综合技术性能显著超过双M消波艇型，世界首创，使船舶内河高速化应用成为可能。
关 键 词：高速、快速、无波、消波、高性能船
中图分类号：U661.3、文献标志码：A
作 者：汪涛，上海析易船舶技术有限公司，unsnet@163.com
侯亮，上海析易船舶技术有限公司，xiyichuanbo@163.com
船舶要实现高速航行，关键在于如何减小或避免水的阻力，而不是克服水的阻力。研究分析现有的四种高性能船技术方案（滑行艇，水翼艇，气垫船，地效翼船），就会发现各有利弊，但其中最常用的是滑行艇，因为其结构简单，成本也最低。而其他技术方案都存在一些重大的缺点和局限。如水翼艇的快速性虽然相对较高（升阻比可达0.11），兴波也较小，遗憾的是其结构复杂，吃水较深，而且容易损坏，生产成本和使用成本很高，这些问题严重限制了它的广泛应用。因此，对滑行艇改进的创新活动最为活跃，相继出现了深V型滑行艇、槽道艇、断级艇、消波艇等众多新型的滑行艇或复合滑行艇技术。这些技术改进的目的主要有两个，一是提升快速性，二是增加耐波性，这两个要求之间有相互矛盾之处，关键在于如何兼顾，深V型滑行艇的出现就是为增加耐波性而牺牲快速性的平衡之举。
在内河应用中，相对来说，船舶的耐波性要求不高，船舶兴波的问题反而突出一些，因为船舶在高速航行时兴起的波浪会对邻船和堤岸产生强烈冲击，严重影响航行安全，所以对内河高速船舶的兴波要求相对较高，否则只能限制其航速。因此，高速消波艇就应运而生，但是传统的高速消波艇，如美国短剑双M消波艇，采用被动消波技术，虽然也有消波效果，但能耗极大，并不符合商业运输的基本要求。另一方面，如果技术措施得当，消波与快速性之间不仅不矛盾，甚至其技术指标是同向变化的。因为兴波本身就是能量的巨大消耗，当兴波降低时，兴波阻力可以大幅度下降，从而大幅度提高快速性。因此，开发全新的主动消波技术，推广基本不兴波的高速无波艇，必将成为高性能船的发展方向，并获得大规模商用，从而实现水路运输的高速化，创造巨大的商业价值。
滑行艇要实现更高的快速性，就需要尽可能地降低航行阻力，在理论上有多种减阻途径：水动抬升减阻。主要目的是减少吃水深度，从而减少兴波阻力。气动抬升减阻。主要目的是减少湿表面积，从而减小摩擦阻力。气液双相混合流减阻。在艇底的湿表面上形成气液双相混合流，从而降低水的摩擦阻力。气液双相混合流要在达到很高航速时才会出现，因此，以往船舶业界大多认为气动减阻要在傅氏数很高时才会起作用，这其实是一个误解。高速无波艇船底的特殊结构，在运行时形成的冲压气垫，即气动抬升力，随着傅氏数的提升而迅速增加。高速无波艇主要是水动抬升和气动抬升起主导作用，尤其是充分利用了气动抬升减阻原理。
为分析高速无波艇的减阻原理，我们设置一个简化的高速无波艇力学模型。它是一个纵向冲角为α的倾斜平板，船舷处有侧壁，从而在船底形成前方开口的封闭气腔。如图1和图2所示。
图1 高速无波艇侧视图
图2 高速无波艇俯视图
假设该高速无波艇的型长L=10m，型宽B=4m，型深D=0.5m，假设排水量W=5吨。气动升力、水动升力和浮力分别为Fa，Fw，Fb。由此可得：W=Fa+Fw+Fb （1）
该无波艇工作原理大致是这样：
静止状态时，船体完全由浮力Fb支撑。
W=Fb=ρ水Bd2l2/2
=1×4×(l2/20)l2/2=8（2）
l2×l2=80 （3）
l2≈9m （4）
如此分配下来，此时船艏气动抬升面约为4平米，水动抬升面为36平米。随着船开始起动并加速，因水动和气动抬升共同作用，船体会迅速抬升，浮力迅速减小，船体转换为更多由水动升力和气动升力支撑。当船体抬升时，船底浸湿面会迅速减少，因此水动抬升面也随之迅速减少，而减少的船底面积全部转为气动抬升面。当速度增加到一定程度，船艉气体打通，并在船体底部形成气液双相混合流。假设船底气体封闭理想，当船体全部变成气动抬升支撑时，依据伯奴利方程，可以将对应的速度计算如下：W=Fa= PaS
=ρ气×v×v×S/2
=1.29×v×v×40/2
=8×1000 （5）
v×v=310 （6）
v≈17.6m/s
=63.4km/h （7）
如果做到完全由气动抬升来支撑船体，就相当于变成气垫船了。但是，该船体不可能被完全抬升到水面，原因在于：当船体随速度增加不断抬升时，一方面船底的水压力会不断减少，另一方面冲压气垫的压力会逐渐上升。当冲压气垫的压力超过船底水压的时候，船艉就会通气。此时即使船速进一步上升，船底气压也不会再同步上升。这样，船体吃水会稳定在一个很低的水平上。根据实船的测试，此时吃水深度大约为0.1米。0.1米水柱气压对应的船速可计算如下。0.1米水柱压力=0.1吨/平方米
=100公斤/平方米 （8）
ρ气v×v /2=1.29×v×v/2
=100 （9）
v ≈ 12.45 m/s
= 44.8公里/小时 （10）
高于这个速度后，船艉就会开始通气，气动抬升力很少再继续上升。此时，气动抬升面占80%，约为32平方米，抬升力为32×0.1=3.2吨，占整个支撑力的3.2/5=64%。水动抬升本来应随速度增加而以平方倍迅速加大，但是，由于形成气液双相混合流相当于减少了流体的密度，船速越高密度下降越多，抵消了速度平方倍的增加，由此使船体自动锁定在一个相对稳定的吃水深度上。由此可见，气动抬升对高速无波艇的作用是非常显著的，尤其是它在船起动的低速状态下就可以开始产生升力。析易船舶的高速无波艇实测速度已达到84km/h（普通螺旋桨），由此可见气动抬升和气液双相混合流在其中的作用占到非常可观比例。在实测过程中，我们发现一个看起来很奇怪，但却非常符合高速无波艇气动抬升作用的现象，就是当逆风航行时，船速明显比顺风航行时要快。风的速度越大，逆顺风船速差异也越大。我们实测到过高达5甚至10公里每小时的速度差异。另外高速无波艇在逆风时起飞明显比顺风时要容易，尤其当达到极限重载时，逆风可顺利起飞，而顺风则不能起飞。由于充分利用气动抬升减阻和气液双相混合流减阻，其快速性达到了十分理想的程度。因此，高速无波艇艇的设计原则如下：
高速无波艇的兴波机理与传统的凯尔文兴波理论完全不同。凯尔文兴波理论也被称为“压力点兴波理论”(或称“驻相点理论”)，它的基本假设是压力点在水中以匀速直线运动时，压力的方向是船前进的方向，从而将流体向左右两边挤压，形成尖点角固定为19°28′的凯尔文系兴波。2013年，M.Rabaud 和F.Moisy通过谷歌地图收集分析大量船行波的卫星图片后发现，高傅氏数Fr下尖点角会减小，并不满足凯尔文系兴波的规律，Fr为4时尖点角甚至减小到只有2.9°。关于这一新发现，至今船舶学术界大多关注点是在其统计规律，而未深究其水动力学机理是什么。事实上，高傅氏数的船舶主要是滑行艇等高性能船，这类船舶的兴波机理与凯尔文系兴波机理是有很大差异的。这类船舶在高速航行时，主要是在水面运动，它们对水会有向下的压力，并且傅氏数越高，向下压水的比例也越大。这种向下的压力会形成“垂直震动点兴波”（与手在水面上下摇动形成的兴波机理是一致的）。“压力点”与“垂直震动点”兴波比例的不同，就会造成兴波形状的差异。高速无波艇通过特殊的船型设计，在船舶高速行驶时，船体基本上只存在对水向下的压力。也就是只存在“垂直震动点兴波”。所有向左右排水的压力，都尽可能被侧壁封住，也都转变成向下的压力。这样的兴波浪高最大不会超过震动点的振幅，亦即船底吃水深度。因为高速无波艇随着速度的增加，船体会被迅速抬升，吃水锁定在约0.1米接近于零的极浅深度，因此其兴波就变得接近于零，且因前述高速时吃水在极浅深度上的锁定效应，兴波的浪高与船速基本无关，从而实现无波。
析易船舶发明的高速无波艇是一个高度复合的船型，其技术来源于对本文作者侯亮发明的仿生飞轮艇技术的简化。它的核心是采用析易船舶原创的三点式滑行面专利技术（双艏船型）。同时，它复合了多种不同船型并进行了深度改进和优化，有效实现了最佳快速性等技术目标。详见表1。
表1 析易高速无波艇复合的船型及根本性的设计差异
实船基本参数为最大长度10.8米，型宽4.3米，空载排水量6.2吨，满载排水量9.2吨（可起飞并实现73公里/航速），型深1.3米，静态吃水深度0.3米，掠行时吃水深度0.2米（船体吃水0.1米），主机功率为2台300马力汽油挂机，静水最大航速84公里/小时（普通螺旋桨）。美国双M艇短剑最大排水量与发动机功率之比为每马力10公斤（67.1吨，6600马力），而析易船舶新型高速消波艇为每马力15公斤，能量效率超过美国双M艇50%。
以60公里/小时航行时，最小回转直径约为3个船长。以80公里/小时速度航行时，急收油门的刹车距离小于30米。稳性测试，从零速开始起步，加速到80公里/小时，持续运行15分钟，然后柔性刹车到零速，放置于茶几上的葡萄酒杯全程不倒，且无酒水溅出。
图3 无波艇平稳性测试
无论加速和减速快慢，纵倾角变化最大都不超过6°。舱内乘客如不参考前方景物，基本感觉不到纵倾角有变化。根据20小时累计运行初步估算，其百公里油耗至少低于同等尺度普通滑行艇的一半。由于其强大的超载能力，在作为高速客运时，其人均油耗更是只有传统的普通滑行艇1/4左右。其快速性与水翼艇相当。检索可知，这是全世界唯一的高速无波船型，属于世界首创。
图4 在高速水池进行的拖曳实验，艏部兴波基本为零。
图5 实船以79公里时速高速航行，艏部兴波基本为零。
图6 在狭窄水面高速航行时的尾迹效果
当该高速无波艇以30-84公里时速行驶时，与船舷后延长线向外垂直距离不到1米，兴波即衰变为浪高小于0.1米的规则波。距离船舷外仅2米的重载散货船所受兴波影响完全可忽略不计，船长仅3米的小木船仅有轻柔的摇晃，无任何安全上的影响。兴波传到堤岸，仅有略超过0.1米、与堤岸大致平行的起伏波浪，无破坏性较强的卷浪。从以上模型和实际测试结果来看，析易船舶高速无波艇真正实现了高速无波的技术目标，从而使内河船舶的高速化大规模应用成为可能。
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背景简介：本文作者曾为中兴通讯国际市场管理体系的奠基人，现为析易船舶总经理。文章2019年11月19日发表于微信公众号 纯科学（https://mp.weixin.qq.com/s/iLhTTBpBUF86cDbVlM_9aQ），风云之声获授权转载。